文摘
超细颗粒(UFPs)导致的健康风险与空气污染有关,特别是儿童的呼吸道疾病。尽管如此,实验数据UFP沉积在哮喘儿童一直被控制在最低水平。在这项研究中,通风的影响,发展中呼吸生理,哮喘儿童探索了超细粒子的沉积效率。沉积UFP的分数(10 - 200 nm)测定在哮喘儿童,8 nonasthmatic孩子,和5 nonasthmatic成年人。沉积效率充分发展作为参考成人呼吸酶活性。验证沉积模型作为辅助工具来评估采用独立的不同通风对沉积的影响。通过和哮喘条件确认post-bronchodilator肺量测定法。受试者暴露于吸湿与第27 - 31数字几何平均直径纳米气溶胶,几何标准差是1.8 - -2.0,和浓度粒子厘米−3。曝光是通过硅胶喉舌。总把分数(TDF)和归一化沉积速率分别为50%和32%在儿童比成人高。占潮气量和年龄变化,TDF比non-asthmatic哮喘儿童的高出21%。更高的空气污染健康风险暴露在孩子和哮喘患者可能对更高剂量的UFP的易感性增强。
1。介绍
小于100纳米的颗粒,由于其尺寸,可以躲避人类的防御机制,渗透到身体深处,达到血液,并积累在敏感目标网站如骨髓、淋巴结、脾脏、心脏、大脑和中枢神经系统(1- - - - - -9]。纳米粒子的独特的易位性质促使他们的应用程序作为药物运载向量在早期检测,诊断和治疗疾病的7,10- - - - - -19]。不幸的是,这种易位属性也可能解释为什么超细颗粒(UFP)大大有助于提升城市空气污染健康风险(3,20.- - - - - -22]。特别是UFPs已被证明影响心血管、肺、和中枢神经系统,特别是儿童、老年人和那些有呼吸系统疾病(5,20.- - - - - -26]。接触UFPs也与肺部炎症和增加对呼吸道感染的易感性以及增加患癌的风险,慢性阻塞性肺疾病,哮喘恶化[27- - - - - -38]。
尽管广泛研究空气污染对健康的影响,基本机制UFP可能诱发疾病仍然是难以捉摸的。进一步的研究(例如,吸收、biopersistence致癌性,易位到其他组织或器官,等等)是必要的支持综合评估的风险与人类吸入接触UFP有关。流行病学的发展、毒理学和药理学的纳米粒子取决于能够准确地确定dose-based易感性与吸入暴露有关。哮喘等呼吸道疾病的发病率居高不下的儿童,理解他们的潜在的易受空气污染迫在眉睫39- - - - - -43]。在哮喘患者,大UFP沉积可能引起的增强扩散机制引起的气道阻塞,增加肺泡卷。然而,在儿童发展中呼吸生理和呼吸模式的变化可能会进一步诱导沉积变化(44- - - - - -46]。在成人中,哮喘条件已经观察到显著增加UFP沉积(47]。儿童哮喘的影响条件对沉积的超细粒子仍未确定。本研究的目的是探讨通风的影响,发展中呼吸生理,哮喘的沉积效率poly-dispersed吸湿超细粒子的孩子。沉积效率的健康成人决心充分发展的呼吸酶活性作为参考。国际放射防护委员会沉积模式48)是作为辅助工具来评估采用独立通风对沉积效率的影响。
2。方法
2.1。主题
制度审查委员会保护人类受试者参与研究德克萨斯大学埃尔帕索分校研究协议(没有批准。93915)。知情同意书表格得到来自受试者或其法定监护人的儿童。直接从孩子同意形式获得。实验进行的一组22男性受试者,5 nonasthmatic成年人,8 nonasthmatic孩子,和9临床诊断哮喘的孩子。不吸烟的成年人25 - 35岁之间,没有历史的哮喘症状是招募了德克萨斯大学埃尔帕索分校。9岁到16岁之间的孩子,不吸烟的家庭,被随机选择从一个存在的500名儿童。群建成为目的的一个更大的流行病学研究儿童哮喘状态确认所述。疑似哮喘患者被确定基于标准化的哮喘症状患病率调查问卷从儿童哮喘和过敏症的国际研究(ISAAC) [49]。随后,肺功能测试(肺量测定法和支气管扩张剂反应)进行后美国胸指南(ATS) [50]。在1 s (FEV用力呼气量1)≥90%的预测作为一个健康的阈值。在1 s (FEV用力呼气量1)≤80%的预测,FEV的比率1用力肺活量(FVC)≤75%,和积极的支气管扩张剂反应被用作哮喘阈值。一个积极的支气管扩张剂反应被定义为FEV的增加1≥15%和/或从400年基线吸入后≥200毫升μ克沙丁胺醇。
2.2。实验设计
于2010年2月到5月之间,进行实验。在不受控制的呼吸沉积进行了测量。呼吸频率(每分钟呼吸,bpm),潮汐体积(升,l每分钟)、每分通气量(升,升分钟)记录与pneumotachograph (PNT)在曝光。身高、体重、身体质量指数(BMI)也被记录。代表不同的变量被分为组通风和生理条件。通风组包括呼吸频率、每分通气量和潮汐卷,而生理组包括体重指数、身高、体重、年龄。目的是评估不同的组合影响通风和生理学UFP沉积,由这些削减和控制变量两组。肺功能立即暴露之前评估的用力呼气量和最大肺活量测量EasyOne肺活量计(NDD医疗技术、安多弗MA)以前记录的协议(51]。皮尔逊相关性是用来评估变量之间的关联。组间沉积意味着被双尾学生相比t测试与指示意义(52]。哮喘的影响条件调整的通风和生理变化探讨了通过单向协方差分析(ANCOVA) [53]。66年国际放射防护委员会(ICRP)沉积模式48)是用来评估不同的独立通风的影响。
2.3。曝光
受试者暴露于多分散的食盐(氯化钠)通过雾化(TSI生产。salt-deionized Inc ., 3076年模型)的水溶液质量的1%。氯化钠气溶胶有几何平均流动直径第27 - 31 (GMD)的海里,一个几何标准差(德牧)1.8 - -2.0,和总浓度粒子厘米−3。粒子数浓度与超细粒子的水平通常观察到附近密集交通公路(54- - - - - -56]。氯化钠粒子被使用,因为他们不加剧哮喘症状。系统具有广泛生理盐水粒子和粒子转移和损失是已知最小的(57]。两个size-resolved沉积分数(DF)曲线与流动粒子直径在10 - 200 nm范围确定/主题/测量。每个测量重复nonconsecutive的一天。每个DF曲线测量获得了12分钟的曝光期间。短时间内想要促进孩子们的参与。曝光时间被定义为最短时间跨度为一致的测量。曝光是通过硅胶喉舌的帮助下一个鼻夹。喉舌的使用已被观察到,影响呼吸模式通过增加分钟通风在呼吸测量(58]。仪表用于测量超细粒子浓度要求未被污染的呼气样本的捕捉和保留;因此使用喉舌是必要的。通过控制的通风ANCOVA mouthpiece-induced呼吸变化也占了。
2.4。沉积测量
扫描移动粒子筛选器(3936 - l75 smp, TSI公司USA Inc .)是用来确定粒度分布和数量浓度的呼吸样本。呼吸样本送到smp通过良好的材料系统(57]。以适应孩子的呼吸状况和进一步减少粒子损失,一个定制的铝non-rebreathing阀和一个较小的呼出样品槽(2.5 L)介绍了系统最初由Londahl et al。57]。non-rebreathing阀有一个19.5厘米的死腔3。呼出样本的温度保持在37°C到干,防止冷凝和最小化大小改变由于凝固。为了避免温度对浓度的影响由于风量变化,吸气和呼气样本干燥和冷却到相同的条件到达smp。系统运行环境的压力。主要材料的图系统如图1。
修改系统中固有的粒子损失测量如Londahl et al。(57)和减少到5%,比之前报道的10%。尺度依赖的粒子损失低于最高%和发生在最小的测量颗粒大小(5.9 nm),它与粒径降低。测量了颗粒小于10纳米丢弃。沉积分数估计如下:
在哪里粒径大小通道吗,和吸入和呼出样品中粒子浓度,分别和系统中的粒子损失。方程是有效的沉积损失发生在系统的任何部分两个采样之间的港口提供期间不改变粒子大小的测量。产生的smp DF曲线组成的99对数间隔大小箱子移动直径尺寸范围内的10 - 200海里。进一步减少颗粒大小变化的影响在DF测量,size-bins的数量减少到33增加箱子的尺寸范围。总把分数(TDF)氯化钠气溶胶的粒径范围10 - 225 nm计算方程的使用浓度的吸入和呼出的气息样本总数。
2.5。模型
沉积在呼吸道的健康受试者估计经验ICRP 66模型48]。ICRP 66被选在这项研究中,因为它已被证明产生类似的结果大部分沉积模型和类似的研究中被广泛引用的47,57]。解剖和生理引用值ICRP提供的15岁和10岁的66模型被用于这项研究。吸湿增长估计RH = 99.5%的假设下整个呼吸道和直接的粒子增长平衡大小(48]。沉积估计产生与ICRP 66模型为气溶胶具有相同特征的实验期间使用,也就是说,GMD的30 nm,德牧2.0,总浓度粒子厘米−3。
3所示。结果
3.1。儿童和成人
表中给出的数据集1和均值和标准差的年龄、性别、体重指数、呼吸参数,TDF主题小组总结在表2。所有三个subject-groups的平均BMI百分位数年龄低于85百分位超重的标准(59]。然而,单独六个孩子有一个体重指数在肥胖超重的百分比范围和两个百分位范围(59]。正如预期的那样,孩子有更高的呼吸频率和潮汐卷和每分通气量低于成人(60,61年]。在不受控制的呼吸测量TDF哮喘和non-asthmatic儿童健康成年人相比更高。具体来说,non-asthmatic儿童比non-asthmatic TDF成年人高出50%对超细颗粒吸湿干燥流动性直径10到200海里(见表2)。曲线在图2显示显著差异大小解决DF成人和儿童之间,发生直径大于50 nm。
3.2。哮喘和Non-Asthmatic
哮喘组有经验的分钟通气量的减少()和呼吸率(f)相比non-asthmatic科目。TDF均值高出14%哮喘儿童相比non-asthmatics(见表3)。然而,TDF哮喘和non-asthmatic儿童之间的差异不显著。呼吸模式的广泛变化的影响和年龄之间的内部和两个学科组在以下部分TDF进一步探索。与TDF一样,尺度依赖的DF曲线不建议哮喘之间的显著差异和nonasthmatics如图2。健康10和15岁的建模DF曲线略微低估了沉积在健康的孩子,但仍然可以执行(见图3)。的意思是和f值见表1孩子们对哮喘和non-asthmatic受雇于ICRP模型来估计TDF的两组。完全基于不同呼吸条件下,ICRP模型预测积极影响TDF 16%和5%的“哮喘”15岁和10岁的孩子,分别(见表3)。一种与年龄相关的效果也明显size-resolved DF曲线如图3。
3.3。相关分析
皮尔森相关系数仅供儿童观察从整个集团和如表所示4。为整个集团,TDF和BMI之间的显著相关性观察,,。年龄明显与体重、身高、BMI,f。而TDF和体重指数呈负相关f与直接相关和。儿童,TDF只是显著相关。年龄和之间的相关性,BMI和f没有明显的儿童。这两双变量,分别代表通风和生理特点,协变量被用作评估儿童哮喘的影响条件。
3.4。调整后的效果
一系列评估哮喘的影响条件TDF虽然控制了年龄、BMI、身高、体重、f,和独立并没有透露重要结果。然而,在控制了年龄和或身体质量指数,f,显著影响TDF由于哮喘条件观察(见表5和6)。岁- - - - - -ANCOVA生产最重要的结果;,和20.4%TDF的总方差占了两个级别的哮喘控制的效果受年龄和潮汐卷在实验中。调整TDF对哮喘患者(0.552)高于21% non-asthmatics(0.458)为12.06年和时代价值0.37 L(见表3)。homogeneity-of-regression(山坡)的假设被证实为协变量之间的关系,和因变量没有显著差异作为独立变量的函数:,潮汐卷和,的年龄。
4所示。讨论
班纳特和泽曼58)建立相同的DF的价值观,和独立的粒子大小、沉积速率较高的儿童比成人由于更高的每分通气量和肺表面面积小。班纳特和泽曼58]还发现单分散的归一化沉积速率2μ米粒子实际上是在儿童与成年人相比高出35%。在这项研究中,观察到UFPs,专门为吸湿颗粒流动性直径10至200海里,总分数高出50%存入儿童比成年人(见表2)。班纳特和泽曼提出的方法后58使用相同的功能)和剩余容量值为成人(2.87 L)和12岁(1.77 L), UFP的TDF增加50%在这项研究中观察到的结果在一个标准化的沉积速率在健康儿童比成人高32%。这些结果表明,孩子们容易相当高剂量的机载超细粒子与成年人相比,这样的性格与小粒径增加。
均值差异和哮喘之间TDF non-asthmatic孩子们无意义的强烈影响,年龄和呼吸模式。对超细疏水粒子,Chalupa et al。47)和Diagle et al。62年)观察在成人哮喘(42.6%)明显高于沉积分数相比non-asthmatic成年人。然而,影响总粒子沉积变化引起独特的呼吸模式主体人群中观察到这些研究是不确定的。在这项研究中,在控制了外来的方差与年龄和联系在一起或身体质量指数,f显著的影响由于对儿童哮喘条件也被观察到。儿童哮喘的估计调整效果条件TDF是21%。ICRP模型,基于不同呼吸哮喘和non-asthmatic团体之间的条件,预测效果在5%和16%之间。模型结果表明,相当一部分的DF的增加在哮喘患者与的变化直接相关f,引起哮喘的条件。提高UFPs扩散沉积也可能与气道阻塞和肺残余体积增加,哮喘的特征条件。在这方面,性格在哮喘儿童高剂量可能与气道炎症条件下,更高的每分通气量,和一个更小的肺表面面积。这项研究的结果,建立和补充一系列的先前的研究,表明孩子,和永远哮喘的孩子,得到超细粒子的剂量明显高于成年人有类似投资。
这项研究中,以及其他沉积研究[47,63年,64年),与一个小样本容量由于实验过程的限制。结果是初步的,不仅因为这个话题组虽小,但是也因为呼吸条件下通过一个喉舌,因此可能不具备代表性的“真实”呼吸状况。仍然清楚地证实需要更全面的研究结果在变化的机制和来源纳米粒子沉积在人体呼吸道。具体地说,与哮喘儿童呼吸控制条件,研究疏水粒子,和大组是必要的。额外的练习来确定ICRP的准确性决定DF哮喘儿童的效果可以改善采用科目的生物特征值也将是有价值的。鉴于儿童哮喘患病率高,哮喘儿童的潜在高磁化率对空气质量的影响,这项研究的结果被认为是重要的。
5。结论
这项研究的结果表明,相同的曝光,儿童接受更高的UFP肺剂量与成年人相比,哮喘进一步增加沉积分数。总把分数和规范化高沉积速率分别为50%和32%,儿童比成人。在控制了年龄和潮汐体积变化,TDF比non-asthmatic哮喘儿童的高出21%。独特潮汐的影响TDF体积和呼吸频率引起的哮喘ICRP估计的条件是16%至5%,为10到15岁的年龄范围。结果表明UFP的观察到沉积高分数在哮喘患者是由于原因除了独特的呼吸模式和可能是由于炎症扩散沉积增强航空公司。越高空气污染健康风险敞口普遍观察到孩子,和哮喘患者可能与更高剂量的UFP,相比成人和健康的人。
课题小组研究很小,只有雄性组成,通过喉舌和呼吸条件,因此可能不具备代表性的“真实”呼吸状况。考虑到儿童哮喘患病率高建议易感性UFP水平的重要性,需要进一步研究。
确认
这项工作是由格兰特数量S11 ES013339从国家环境健康科学研究所(NIEHS)和美国国立卫生研究院(NIH)。其内容是完全的责任作者和不一定代表NIEHS的官方观点,NIH,或黑。作者要感谢Jakob Londahl博士的技术援助和宝贵的意见。